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摘 要：活塞式壓力計(jì)作為一個(gè)壓力量量值傳遞的重要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其重要性可想而知。但是活塞式壓力計(jì)的計(jì)量過程對(duì)操作者的實(shí)際操作等一系列經(jīng)驗(yàn)積累水平有非常高的要求，且繁雜的操作過程會(huì)造成計(jì)量工作者的主觀意愿引入其他誤差，影響量值傳遞的準(zhǔn)確性。尤其是在活塞調(diào)平這一過程中，沒有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)積累和活塞式壓力計(jì)操作手感是根本無法完成的。針對(duì)這一難題引入差壓變送器到活塞式壓力計(jì)的計(jì)量過程中，簡化操作過程，使活塞式壓力計(jì)的計(jì)量更容易被學(xué)習(xí)和掌握，保證壓力量量值傳遞的準(zhǔn)確可靠。
引 言
壓力計(jì)量基準(zhǔn)器為國家壓力基準(zhǔn)裝置，國家壓力基準(zhǔn)裝置主要由一套相同結(jié)構(gòu)的５個(gè)活塞系統(tǒng)組成 ［１ ］ 。壓力工作基準(zhǔn)也由０．００５級(jí)活塞式壓力計(jì)構(gòu)成，其次有０．０１級(jí)活塞式壓力計(jì)、０．０２級(jí)活塞式壓力計(jì)、 ０．０５級(jí)活塞式壓力計(jì)以及其他壓力計(jì)量器具構(gòu)成了壓力計(jì)量器具檢定系
統(tǒng)表。活塞式壓力計(jì)具有測(cè)量范圍寬、測(cè)量準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡單計(jì)量性能穩(wěn)定、易于量值溯源等優(yōu)勢(shì)。其作為壓力標(biāo)準(zhǔn)在壓力量量值傳遞中的地位也就可想而知了。因此活塞式壓力計(jì)的計(jì)量也就變得尤為重要。
１ 活塞壓力計(jì)簡介
活塞式壓力計(jì)是根據(jù)帕斯卡原理、流體靜力學(xué)平衡原理為基礎(chǔ)進(jìn)行壓力計(jì)量的 ［１ － ２ ］ 。活塞式壓力計(jì)主要有活塞系統(tǒng)（活塞和活塞筒組成）、專用砝碼和校驗(yàn)器３大部件組成。活塞系統(tǒng)作為活塞式壓力計(jì)的核心部件，活塞和活塞筒是活塞式壓力計(jì)核心數(shù)據(jù)———活塞有效面積的來源；專用砝碼是根據(jù)活塞有效面積與使用地重力加速度經(jīng)過計(jì)算，加工的具有固定質(zhì)量用于復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力值的圓盤型砝碼 ［２ － ３ ］ ；校驗(yàn)器也稱為造壓泵或壓力計(jì)底座，主要由壓力泵、連接管和閥門組成，用于安裝活塞系統(tǒng)且有造壓功能的裝置。
活塞式壓力計(jì)壓力產(chǎn)生的原理如式（１ ）所示：Ｐ ＝ｍｇ／ Ａ ｅ （１ ）
式中： Ｐ 為活塞產(chǎn)生的壓力； ｍ 為專用砝碼的質(zhì)量；ｇ 為使用地的重力加速度； Ａ ｅ 為活塞的有效面積。
２ 活塞式壓力計(jì)的計(jì)量
結(jié)合 ＪＪＧ５９ － ２００７ 《活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》的要求，活塞式壓力計(jì)的計(jì)量檢定是在相應(yīng)的環(huán)境條件下（不同準(zhǔn)確度等級(jí)都有與之對(duì)應(yīng)的溫度和濕度要求）進(jìn)行的，檢定項(xiàng)目主要包括外觀檢查、活塞系統(tǒng)檢查、專用砝碼和稱重盤檢查、活塞有效面積測(cè)量、專用砝碼質(zhì)量測(cè)量、垂直度測(cè)量、活塞轉(zhuǎn)動(dòng)延續(xù)時(shí)間測(cè)量、活塞轉(zhuǎn)動(dòng)下降速度測(cè)量、鑒別力測(cè) 量、密 封 性 檢 測(cè)、活 塞 有 效 面 積 周 期 變 化 率 判定 ［２ ， ４ ］ 。其中活塞有效面積測(cè)量是整個(gè)活塞式壓力計(jì)的計(jì)量檢定的核心工作。本文主要針對(duì)活塞有效面積測(cè)量進(jìn)行研究。
２．１ 活塞有效面積測(cè)量
活塞有效面積測(cè)量主要包括直接平衡法和起始平衡法兩種 ［５ － ６ ］ 。
直接平衡法：
１ ）確定標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)與被檢活塞式壓力計(jì)的活塞及其連接件質(zhì)量；
２ ）測(cè)量兩套活塞式壓力計(jì)參考平面的高度差； ３ ）開始平衡點(diǎn)的測(cè)量，第一平衡點(diǎn)壓力值一般 選 擇 活 塞 式 壓 力 計(jì) 測(cè) 量 范 圍 上 限 的 １０％ ～２０％ ，分別在兩套壓力計(jì)上加載相應(yīng)的專用砝碼，校驗(yàn)器加壓使標(biāo)準(zhǔn)與被檢活塞式壓力計(jì)都升至工作位置，此過程中兩套壓力計(jì)均應(yīng)以 ３０～６０ｒ ／ ｍｉｎ 的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)保持在各自的工作位置。如不平衡，在上升活塞上加載相應(yīng)的小砝碼，直至平衡。然后以同樣辦法依次升壓、降壓測(cè)量其他檢定點(diǎn)，檢定點(diǎn)一般不少于 ５ 個(gè)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到被檢活塞的有效面積。直接平衡法的平衡原理如式（２ ）所示：
式中： ｍ 標(biāo)碼 ｉ 為第 ｉ 個(gè)平衡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量； ｍ 檢碼 ｉ 為第 ｉ 個(gè)平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量； ｍ 標(biāo)活 為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿質(zhì)量； ｍ 檢活 為被檢活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿質(zhì)量；ρ 標(biāo)碼為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度；ρ 檢碼 為被檢活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度；ρ 標(biāo)活 為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿平均密度；ρ 檢活 為被檢活塞式壓力計(jì)活塞及其連接桿平均密度；ρ ａ 為空氣密度； ρ 介 為活塞式壓力計(jì)使用介質(zhì)的密度； Ａ 標(biāo) 為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)的有效面積；Ａ 檢 ｉ 為第 ｉ個(gè)平衡點(diǎn)計(jì)算得到的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積；ｇ 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋唬?為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)與被檢活塞式壓力計(jì)工作位置的高度差（標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)工作位置高度減去被檢活塞式壓力計(jì)工作位置高度）。被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積平均值為最終的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積如式（３ ）所示：
式中：ｎ 平衡點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)。
起始平衡法：
１ ）起始平衡點(diǎn)的確定，一般選擇活塞式壓力計(jì)測(cè)量范圍上限的 １０％～２０％ 壓力值的點(diǎn)作為起始平衡點(diǎn)，分別在兩套壓力計(jì)上加載相應(yīng)數(shù)量的砝碼，校驗(yàn)器加壓使標(biāo)準(zhǔn)與被檢活塞式壓力計(jì)都升至工作位置，此過程中兩套壓力計(jì)均應(yīng)以 ３０～６０ｒ ／ ｍｉｎ 的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)保持在各自的工作位置，如不平衡，在上升活塞上加載相應(yīng)的小砝碼，直至平衡。起始平衡后，壓力計(jì)上加載的所有砝碼作為起始平衡質(zhì)量，保持不變；
２ ）以同樣辦法依次升壓、降壓測(cè)量其他檢定點(diǎn)，檢定點(diǎn)一般不少于 ５ 個(gè)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到被檢活塞的有效面積。起始平衡法的平衡原理如式（４ ）所示，
式中： ｍ 標(biāo)碼（ｉ ＋１ ） 為第（ ｉ ＋１ ）個(gè)平衡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量； ｍ 檢碼（ｉ ＋１ ） 為第（ ｉ ＋１ ）個(gè)平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量； ｍ標(biāo)碼１為起始平衡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量； ｍ檢碼１為起始平衡點(diǎn)被檢活塞式壓力計(jì)加載的標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量；ρ 標(biāo)碼 為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度；ρ 檢碼 為被檢活塞式壓力計(jì)加載砝碼的密度；ρ ａ 為空氣密度； ρ 介 為活塞式壓力計(jì)使用介質(zhì)的密度； Ａ 標(biāo) 為標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)的有效面積；Ａ 檢（ ｉ ＋１ ） 為第（ｉ ＋１ ）個(gè)平衡點(diǎn)計(jì)算得到的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積；ｇ 為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/div>
被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積平均值為最終的被檢活塞式壓力計(jì)的有效面積如式（５ ）所示：
式中：ｎ 為平衡點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)。
２．２ 常用方法的弊端
兩種測(cè)量方法的關(guān)鍵都是每個(gè)檢定點(diǎn)通過在上升活塞上加載小砝碼的方式，使兩套活塞式壓力計(jì)同時(shí)達(dá)到各自的平衡位置（工作位置）。這也是在實(shí)際操作過程中的難點(diǎn)，其主要依靠活塞位置指示裝置來實(shí)現(xiàn)的，活塞位置指示裝置最常用的有燈影位置指示和電磁位置指示兩種。長時(shí)間盯著燈影或指示表針，而且要用調(diào)整砝碼的方法使燈影或指示表針在每個(gè)檢定點(diǎn)上都達(dá)到固定的指示位置視為是達(dá)到每套活塞的各自平衡位置。此過程中存在的問題包括：
１ ）長時(shí)間盯著燈影或指示表針進(jìn)行調(diào)整，會(huì)對(duì)調(diào)整者造成視覺疲勞，進(jìn)而引入誤差；
２ ）目測(cè)燈影或指示表針的方法，自身讀數(shù)存在誤差較大，操作者的主觀意愿影響也會(huì)引入一定誤差；
３ ）目測(cè)燈影或指示表針的方法調(diào)整過程中，由于沒有明確的壓力值指示，不能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整砝碼質(zhì)量達(dá)到每套活塞各自平衡位置。加之存在活塞下降速度的影響，會(huì)出現(xiàn)需要反復(fù)加壓使活塞達(dá)到工作位置。沒有長時(shí)間的活塞計(jì)量檢定經(jīng)驗(yàn)和活塞調(diào)整手感就很難調(diào)整出每套活塞各自平衡位置。
以上問題就造成了，活塞式壓力計(jì)的計(jì)量需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)積累和很好的活塞調(diào)整手感的計(jì)量工作者才能進(jìn)行，對(duì)于只有理論知識(shí)積累而實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)積累不是很充分的計(jì)量工作者來說這項(xiàng)工作就變的非常困難。
２．３ 差壓變送器的應(yīng)用
差壓變送器在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中應(yīng)用示意圖如圖１ 所示，在測(cè)量每一個(gè)平衡點(diǎn)時(shí)方法測(cè)量如下。
１ ）打開平衡閥，上兩套活塞的介質(zhì)達(dá)到連通狀態(tài)，仕樂克差壓變送器指示為０ （可以是電流輸出 ｍＡ 顯示 ４．０００ 或壓力輸出 ｋＰａ 顯示 ０．０００ ）［ ７ ］ 。
２ ）在標(biāo)準(zhǔn)活塞系統(tǒng)和被檢活塞系統(tǒng)上加載對(duì)應(yīng)砝碼，然后使用任意一個(gè)校驗(yàn)器對(duì)于連通的兩套活塞系統(tǒng)進(jìn)行加壓，使其中一個(gè)活塞系統(tǒng)達(dá)到活塞指示裝置指示的工作位置（以 ３０～６０ｒ ／ ｍｉｎ 的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），另外一個(gè)活塞系統(tǒng)稍微超出工作位置。
３ ）關(guān)閉平衡閥，在超出工作位置的活塞系統(tǒng)上加載小砝碼，仕樂克差壓變送器會(huì)有數(shù)值顯示上的變化，隨即調(diào)整加載砝碼一側(cè)的校驗(yàn)器，兩者交替操作，使被調(diào)整的活塞系統(tǒng)達(dá)到工作位置（以 ３０～６０ｒ ／ ｍｉｎ 的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），同時(shí)仕樂克差壓變送器指示為 ０［ ７ － ８ ］ 。
４ ）打開平衡閥，標(biāo)準(zhǔn)活塞系統(tǒng)和被檢活塞系統(tǒng)都處于工作位置（均以３０～６０ｒ ／ ｍｉｎ的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），對(duì)以上方法進(jìn)行驗(yàn)證，在原始記錄上記錄該點(diǎn)加載砝碼質(zhì)量。依據(jù)以上方法再進(jìn)行下一平衡點(diǎn)的測(cè)量。直至完成每一個(gè)平衡點(diǎn)的測(cè)量，處理數(shù)據(jù)就可以得到被檢活塞系統(tǒng)
的活塞有限面積 ［９ ］ 。
使用此方法在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中的應(yīng)用主要有以下注意事項(xiàng)：
１ ）差壓變送器的選型，相同準(zhǔn)確度等級(jí)的壓力變送器，量程越大，誤差越大；量程越小，可操作范圍越小 ［１０ ］ 。所以在仕樂克差壓變送器誤差符合被計(jì)量活塞式壓力計(jì)精度要求的情況下，量程越大，可操作范圍越大，越便于使用，操作更簡單、更安全。
２ ）差壓變送器的安裝，差壓變送器必須設(shè)置有一個(gè)相對(duì)固定安裝平臺(tái)，使仕樂克差壓變送器的安裝在測(cè)量過程中不發(fā)生位置變化，不存在外力影響，保證輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性 ［１１ ］ 。
３ 應(yīng)用比對(duì)
為了直觀得到應(yīng)用仕樂克差壓變送器的方法在活塞有效面積測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)本計(jì)量機(jī)構(gòu) ２～３ 月份的活塞式壓力計(jì)的計(jì)量任務(wù)進(jìn)行了分配和統(tǒng)計(jì)，在兩個(gè)月內(nèi)的活塞式壓力計(jì)計(jì)量任務(wù)中，活塞有效面積測(cè)量分別隨機(jī)規(guī)定測(cè)量方案（常用方法或應(yīng)用差壓變送器方法），并對(duì)測(cè)量用時(shí)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表 １ 所示。表 １ 中 Ａ 為壓力計(jì)量工作 ２０年以上的計(jì)量工作者，具有熟練操作水平和豐富測(cè)量經(jīng)驗(yàn)； Ｂ 為壓力計(jì)量工作 ６ 年的計(jì)量工作者；Ｃ 為壓力計(jì)量工作剛 １ 年的計(jì)量工作者。
表１中 ∞ 表示使用對(duì)應(yīng)方法進(jìn)行測(cè)量，但長時(shí)間無法完成此項(xiàng)工作。由表１可知在活塞有效面積測(cè)量中引入應(yīng)用仕樂克差壓變送器的方法不但極大的提高了工作效率，而且使活塞有效面積測(cè)量操作變的更直觀，易于掌握 ［１２ ］ 。
４ 結(jié) 論
差壓變送器應(yīng)用于活塞壓力計(jì)的計(jì)量中主要可以幫助新進(jìn)的計(jì)量工作者迅速掌握活塞式壓力計(jì)計(jì)量的操作方法，快速上崗，快速上手工作；可以簡化活塞式壓力計(jì)計(jì)量中，活塞系統(tǒng)平衡調(diào)整中繁雜的工作量；可以避免長時(shí)間盯著活塞位置指示裝置而引起操作者主觀因素引入的誤差。因此差壓變送器在活塞式壓力計(jì)計(jì)量中的應(yīng)用很有必要在計(jì)量部門進(jìn)行大面積推廣。
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